Твердые сплавы

В качестве материалов для инструментов ис­пользуются твердые сплавы, которые состоят из твердых карбидов и связующей фазы. Они изготав­ливаются методами порошковой металлургии.

Характерной особенностью твердых сплавов является очень высокая твердость 87…92 HRC при достаточно высокой прочности. Твердость и проч­ность зависят от количества связующей фазы (ко­бальта) и величины зерен карбидов. Чем крупнее зерна карбидов, тем выше прочность. Твердые сплавы отличаются большой износостойкостью и теплостойкостью. Основными твердыми сплавами являются группы ВК (WC + Co), TK (WC + TiC + Co), TTK (WC + TiC + TaC + Co). Наиболее распро­страненными сплавами группы ВК являются сплавы марок ВК3, ВК6, ВК8, ВК20, где число показывает содержание кобальта в процентах, остальное – кар­биды вольфрама WC. Сплавы группы ТК марок Т30К6, Т14К8 – первое число показывает содержа­ние карбидов титана в процентах, второе – содержа­ние кобальта в процентах. Сплавы этой группы лучше противостоят изнашиванию, обладают боль­шей твердостью, тепло- и жаростойкостью, стойко­стью к коррозии, но меньшей теплопроводностью и большей хрупкостью. Используются на средних и высоких скоростях резания.

Сплавы с малым количеством кобальта обла­дают повышенной твердостью и износостойкостью, но минимальной прочностью, Поэтому их исполь­зуют для чистового точения (ВК3, Т30К4).

Сплавы с повышенным содержанием кобальта используют для чернового точения (ВК8, Т14К8).

Сплав ВК20 начинают использовать для арми­рования штампов, что повышает их износостой­кость.

Износостойкость инструментов из твердых сплавов превышает износостойкость инструментов из быстрорежущих сталей в 10…20 раз и сохраня­ется до температур 800…1000^oС.

Виды термической обработки метал­лов.

Свойства сплава зависят от его структуры. Ос­новным способом, позволяющим изменять струк­туру, а, следовательно, и свойства является термиче­ская обработка.

Основы термической обработки разработал Чернов Д.К.. В дальнейшем они развивались в рабо­тах Бочвара А.А., Курдюмова Г.В., Гуляева А.П.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охла­ждения, выполняемых в определенной последова­тельности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получе­ния нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура – время, см. рис. 12.1 ).

Рис.12.1. Графики различных видов термооб­работки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)

Различают следующие виды термической об­работки:

1. Отжиг 1 рода – возможен для любых метал­лов и сплавов.

Его проведение не обусловлено фазовыми превращениями в твердом состоянии.

Нагрев, при отжиге первого рода, повышая подвижность атомов, частично или полностью устраняет химическую неоднородность, уменьшает внутреннее напряжения.

Основное значение имеет температура нагрева и время выдержки. Характерным является медлен­ное охлаждение

Разновидностями отжига первого рода явля­ются:

• диффузионный;

• рекристаллизационный;

• отжиг для снятия напряжения по­сле ковки, сварки, литья.

2. Отжиг II рода – отжиг металлов и сплавов, испытывающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении.

Проводится для сплавов, в которых имеются полиморфные или эвтектоидные превращения, а также переменная растворимость компонентов в твердом состоянии.

Проводят отжиг второго рода с целью получе­ния более равновесной структуры и подготовки ее к дальнейшей обработке. В результате отжига измель­чается зерно, повышаются пластичность и вязкость, снижаются прочность и твердость, улучшается обрабатываемость резанием.

Характеризуется нагревом до температур выше критических и очень медленным охлажде­нием, как правило, вместе с печью (рис. 12.1 (1, 1а)).

3. Закалка – проводится для сплавов, испыты­вающих фазовые превращения в твердом состоянии при нагреве и охлаждении, с целью повышение твердости и прочности путем образования неравно­весных структур (сорбит, троостит, мартенсит).

Характеризуется нагревом до температур выше критических и высокими скоростями охла­ждения (рис. 12.1 (2, 2а)).

4. Отпуск – проводится с целью снятия внут­ренних напряжений, снижения твердости и увеличе­ния пластичности и вязкости закаленных сталей.

Характеризуется нагревом до температуры ниже критической А (рис. 12.1 (3)). Скорость охла­ждения роли не играет. Происходят превращения, уменьшающие степень неравновесности структуры закаленной стали.

Термическую обработку подразделяют на предварительную и окончательную.

Предварительная – применяется для подго­товки структуры и свойств материала для последу­ющих технологических операций (для обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием).

Окончательная – формирует свойство гото­вого изделия.

Бронзы

Сплавы меди с другими элементами кроме цинка называются бронзами.

Бронзы подразделяются на деформируемые и литейные.

При маркировке деформируемых бронз на первом месте ставятся буквы Бр, затем буквы, ука­зывающие, какие элементы, кроме меди, входят в состав сплава. После букв идут цифры, показываю­щие содержание компонентов в сплаве. Например, марка БрОФ10-1 означает, что в бронфзу входит 10 % олова, 1 % фосфора, остальное – медь.

Маркировка литейных бронз также начинается с букв Бр, затем указываются буквенные обозначе­ния легирующих элементов и ставится цифра, ука­зывающая его усредненное содержание в сплаве. Например, бронза БрО3Ц12С5 содержит 3 % олова, 12 % цинка, 5 % свинца, остальное – медь.

Оловянные бронзы При сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы. Эти сплавы очень склонны к ликвации из-за большого темпера­турного интервала кристаллизации. Благодаря лик­вации сплавы с содержанием олова выше 5 % имеют в структуре эвтектоидную составляющую Э( ), состоящую из мягкой и твердой фаз. Такое строение является благоприятным для деталей типа подшипников скольжения: мягкая фаза обеспе­чивает хорошую прирабатываемость, твердые ча­стицы создают износостойкость. Поэтому оловян­ные бронзы являются хорошими антифрикцион­ными материалами.

Оловянные бронзы имеют низкую объемную усадку (около 0,8 %), поэтому используются в ху­дожественном литье.

Наличие фосфора обеспечивает хорошую жидкотекучесть.

Оловянные бронзы подразделяются на дефор­мируемые и литейные.

В деформируемых бронзах содержание олова не должно превышать 6 %, для обеспечения необхо­димой пластичности, БрОФ6,5-0,15.

В зависимости от состава деформируемые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными, антифрикционными и упру­гими свойствами, и используются в различных отраслях промышленности. Из этих сплавов изго­тавливают прутки, трубы, ленту, проволоку.

Литейные оловянные бронзы, БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17, применяются для изготовления паро­водяной арматуры и для отливок антифрикционных деталей типа втулок, венцов червячных колес, вкла­дышей подшипников.

Алюминиевые бронзы, БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.

Бронзы с содержанием алюминия до 9,4 % имеют однофазное строение – твердого раствора. При содержании алюминия 9,4…15,6 % сплавы системы медь – алюминий двухфазные и состоят из – и – фаз.

Оптимальными свойствами обладают алюми­ниевые бронзы, содержащие 5…8 % алюминия. Увеличение содержания алюминия до 10…11 % вследствие появления – фазы ведет к резкому повышению прочности и сильному снижению пла­стичности. Дополнительное повышение прочности для сплавов с содержанием алюминия 8…9,5 % можно достичь закалкой.

Положительные особенности алюминиевых бронз по сравнению с оловянными:

• меньшая склонность к внут­рикристаллической ликвации;

• большая плотность отливок;

• более высокая прочность и жаро­прочность;

• меньшая склонность к хладолом­кости.

Основные недостатки алюминиевых бронз:

• значительная усадка;

• склонность к образованию столб­чатых кристаллов при кристаллиза­ции и росту зерна при нагреве, что охруп­чивает сплав;

• сильное газопоглощение жид­кого расплава;

• самоотпуск при медленном охла­ждении;

• недостаточная коррозионная стойкость в перегретом паре.

Для устранения этих недостатков сплавы до­полнительно легируют марганцем, железом, нике­лем, свинцом.

Из алюминиевых бронз изготавливают отно­сительно мелкие, но высокоответственные детали типа шестерен, втулок, фланцев литьем и обработ­кой давлением. Из бронзы БрА5 штамповкой изго­тавливают медали и мелкую разменную монету.

Кремнистые бронзы, БрКМц3-1, БрК4, при­меняют как заменители оловянных бронз. Они не­магнитны и морозостойки, превосходят оловянные бронзы по коррозионной стойкости и механическим свойствам, имеют высокие упругие свойства. Сплавы хорошо свариваются и подвергаются пайке. Благодаря высокой устойчивости к щелочным сре­дам и сухим газам, их используют для производства сточных труб, газо- и дымопроводов.

Свинцовые бронзы, БрС30, используют как высококачественный антифрикционный материал. По сравнению с оловянными бронзами имеют более низкие механические и технологические свойства.

Бериллиевые бронзы, БрБ2, являются высоко­качественным пружинным материалом. Раствори­мость бериллия в меди с понижением температуры значительно уменьшается. Это явление используют для получения высоких упругих и прочностных свойств изделий методом дисперсионного тверде­ния. Готовые изделия из бериллиевых бронз подвер­гают закалке от 800^oС, благодаря чему фиксируется при комнатной температуре пересыщенные твердый раствор бериллия в меди. Затем проводят искус­ственное старение при температуре 300…350^oС. При этом происходит выделение дисперсных частиц, возрастают прочность и упругость. После старения предел прочности достигает 1100…1200 МПа.